АГРЕГАТ ДЛЯ ПОДВОДНОЙ РАЗРАБОТКИ Российский патент 2002 года по МПК E21C50/00 

Изобретение относится к техническим средствам освоения минерально-сырьевых ресурсов Мирового океана и может быть эффективно использовано для разработки кобальтовых корок.

Известен агрегат для подводной разработки, включающий погружной аппарат с исполнительным органом и ходовой частью, который посредством трубопровода соединен с плавсредством (см. патент Японии 56-41798, кл. Е 21 С 50/00,1981).

Недостатком технического решения являются значительные затраты на выемку, переработку и выдачу гидросмеси на поверхность при высоком уровне вреда, наносимого окружающей среде.

Известен также агрегат для подводной разработки, включающий соединенный с плавсредством погружной аппарат, корпус которого выполнен в виде полого стакана, а днище - обращено вверх, размещенный в полости корпуса с возможностью возвратно-поступательного перемещения исполнительный орган, содержащий породоразрушающий инструмент (см. пат. РФ 2015334, кл. Е 21 С 50/00,1994).

К недостаткам устройства следует отнести невысокую эффективность разработки кобальтовых корок и других ископаемых, представленных недискретными образованиями.

В основу изобретения положена задача повышения эффективности разработки кобальтовых корок (отделения корок от массива и подачи гидросмеси на плавсредство), а также уменьшения вредного воздействия технологических процессов на окружающую среду.

Поставленная задача решается тем, что агрегат для подводной разработки, включающий соединенный с плавсредством погружной аппарат, корпус которого выполнен в виде полого стакана, а днище обращено вверх, размещенный в полости корпуса с возможностью возвратно-поступательного перемещения исполнительный орган, содержащий породоразрушающий инструмент, отличается тем, что погружной аппарат соединен с плавсредством посредством трубопровода, при этом стенки корпуса погружного аппарата выполнены полыми, в них сформированы элементы конфузоров магистральных пульповодов, для чего они разделены на соответствующие каналы вертикально ориентированными перегородками, причем породоразрушающий инструмент выполнен в виде плиты из твердосплавного материала, рабочая поверхность которого снабжена радиальными пазами, а его тыльная сторона снабжена балластной емкостью, гидравлически связанной с полостью радиальных пазов породоразрушающего инструмента и через первые запорные клапаны связанной с акваторией, а также пневматически связанной с полостью патрубка для подачи рабочего агента и через вторые запорные клапаны связанной с элементами конфузоров магистральных пульповодов, кроме того, в корпусе погружного аппарата размещен генератор рабочего агента, пневматически связанный с полостью патрубка для подачи рабочего агента. Кроме того, генератор рабочего агента содержит камеры для хранения реагентов и средства для подвода реагентов в реакционную зону и распределитель, пневматически связанный через запорный элемент с полостью патрубка для подачи рабочего агента. Кроме того, полости корпуса погружного аппарата снабжены постоянными магнитами, а обращенная к ней поверхность исполнительного органа выполнена из магнитных материалов. Кроме того, внутренняя поверхность полости корпуса снабжена пазами, размещенными с возможностью размещения в них шлицов, закрепленных на внешней боковой поверхности исполнительного органа. Кроме того, корпусу погружного аппарата придано квадратное поперечное сечение.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:
Признаки ". . . погружной аппарат соединен с плавсредством посредством трубопровода, при этом стенки корпуса погружного аппарата выполнены полыми, в них сформированы элементы конфузоров магистральных пульповодов, для чего они разделены на соответствующие каналы вертикально ориентированными перегородками" обеспечивают возможность отказаться от использования большого количества трубопроводов. Кроме того, обеспечивается возможность изолирования участка, где проводятся работы по выемке полезного ископаемого от пространства акватории при обеспечении непрерывного режима работы. Признаки "... породоразрушающий инструмент, выполненный в виде плиты из твердосплавного материала, рабочая поверхность которого снабжена радиальными пазами" обеспечивают возможность и передачи ударного импульса на поверхность корки и одновременно возможность размыва и гидротранспортирования продуктов разрушения корки к всасу эрлифта.

Признаки ". . . исполнительный орган, содержащий... балластную полость, размещенную на тыльной стороне породоразрушающего инструмента, гидравлически связанную с полостью радиальных пазов породоразрушающего инструмента и через первые запорные клапаны связанную с акваторией, а также пневматически связанную с полостью патрубка для подачи рабочего агента и через вторые запорные клапаны связанную с элементами конфузоров магистральных пульповодов, кроме того, в корпусе погружного аппарата размещен генератор рабочего агента, пневматически связанный с полостью патрубка для подачи рабочего агента", характеризуют связь между узлами и элементами агрегата, обеспечивающую решение поставленной задачи.

Признаки второго пункта формулы изобретения характеризуют конструкцию генератора рабочего агента и взаимосвязь его с узлами устройства.

Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают возможность удержания исполнительного органа над поверхностью корки до накопления энергии до определенного уровня, что позволяет повысить энергию удара и эффективность разрушения кобальтовой корки.

Признаки четвертого пункта формулы изобретения исключают перекос и заклинивание исполнительного органа при движении в полости корпуса агрегата.

Признаки пятого пункта формулы изобретения упрощают конструкцию корпуса и упрощают его изготовление.

На фиг.1 показан вертикальный разрез агрегата; на фиг.2 - вид агрегата в плане; на фиг.3 изображен разрез исполнительного органа в момент разрушения кобальтовой корки; фиг. 4 иллюстрирует положение исполнительного органа в момент приобретения им максимального запаса потенциальной энергии; на фиг.5 изображен разрез 1-1 исполнительного органа; на фиг.6 показано крепление пластин для образования диффузоров магистральных пульповодов; на фиг.7 показана схема распределения рабочего агента.

Агрегат для разработки кобальтовых корок содержит погружной аппарат 1 с исполнительным органом 2, соединенный трубопроводом 3 с плавсредством (не показано). Погружной аппарат 1 содержит полый корпус, образованный внутренней 4 и внешней оболочками 5, установленными с зазором друг относительно друга, при этом вертикально ориентированные перегородки 6, установленные в этом зазоре 7, разделяют полый корпус на каналы, из которых сформированы элементы конфузоров 8 магистральных пульповодов 9 (стенками полостей конфузоров 8 являются соседние вертикально ориентированные перегородки 6 в совокупности с поверхностями оболочек 4 и 5, ограниченными перегородками 6). Поперечному сечению корпуса придана квадратная форма. Конфузоры 8 имеют форму треугольных призм, сужающихся кверху, и непосредственно связаны с магистральными пульповодами 9 (каждый со своим). Нижняя торцевая часть внешней оболочки 5 снабжена пазами 10 шлицевого соединения, каналами 11 с первыми запорными клапанами 12 и окнами 13. Кроме того, торец внешней оболочки 5 выполнен в виде кольца 14 треугольного сечения, обращенного острым углом к кобальтовой корке 15. Исполнительный орган 2 установлен на патрубке 16 с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль его оси по внешней поверхности. Исполнительный орган снабжен шлицами 17, входящими в пазы 10 оболочки 5. В нижнем основании внутренней оболочки 4 выполнены каналы 18 с отражателями 19.

Исполнительный орган 2 состоит из балластной полости 20 с каналами 21 и 22 гидравлической связи и каналами 23 и 24 пневматической связи, кроме того, в каналах 24 установлены вторые запорные клапаны 25. Верхняя поверхность исполнительного органа 2 выполнена из магнитных материалов или же, по меньшей мере содержит магнитные вставки (не показаны). Нижнее основание исполнительного органа снабжено породоразрущающим инструментом 26 с пазами 27, расположенными радиально. В качестве породоразрущающего инструмента может быть использована плита, изготовленная из инструментальной стали с пирамидальными выступами, вершины которых обращены к кобальтовой корке 15, причем высота выступов регламентируется размером отделяемого куска. Размер куска должен быть минимальным, а в исключительном случае мелкодисперсным, который регламентирует диаметр трубопровода 3 с целью снижения капитальных затрат на его выполнение. Корпус исполнительного органа снабжен напорной камерой 28 с уплотнительными элементами 29. Напорная камера 28 через каналы 30 пневматически сообщена с внутренней полостью 31 патрубка 16. В корпусе исполнительного органа 2 конструктивно выполнены сферические углубления 32, в которых размещаются выступы клапанов 12 при перекрытом ими канале 11. В каналах 21 установлены отражатели 33. Нижняя торцевая часть патрубка 16 снабжена пятой 34 для удержания исполнительного органа в транспортном положении и снабжена каналами 35. На нижнем основании внутреннего корпуса 4 установлены постоянные магниты 36.

Погружной аппарат снабжен генератором рабочего агента, включающим камеру 37, в которую помещен твердый компонент рабочего агента, например гранулированный гидрит лития, и камеру 38, заполненную водой. Погружной аппарат оборудован также балластной емкостью 39, вертлюгом 40 и распределителем рабочего агента 41.

Агрегат работает следующим образом.

На поверхности акватории камеры 37 и 38 выполняют компонентами рабочего агента. Из балластной емкости 39 через обратный клапан (не показан) вытесняют рабочий агент, заполняя при этом ее водой, заполняют водой и балластную емкость 20. Погружной аппарат 1 приобретает отрицательную плавучесть и опускается на поверхность кобальтовой корки 15. Под действием инерционных сил аппарата кольцо 14 вдавливается на некоторую глубину в корку. По команде с пульта управления плавсредством открывают запорный элемент (не показан) и сообщают друг с другом камеры 37 и 38. Гранулированный гидрит лития, вступая в химическую реакцию с водой, выделяет водород, который является рабочим агентом. Затем при открытом запорном элементе 42 рабочий агент с распределителя 41 поступает во внутреннюю полость 31 патрубка 16, из которой через каналы 30 в напорную камеру 28. Из напорной камеры 28 по каналам 23 рабочий агент поступает в балластную полость 20 исполнительного органа 2. Под давлением рабочего агента вода из балластной полости 20 вытесняется через каналы 22, а затем по каналам 35 в пяте 34 патрубка 16 поступает в пазы 27 породоразрушающего инструмента 26. Из пазов 27 вода поступает в боковые зазоры 7, затем в конфузоры 8 и магистральные трубопроводы 9. Магистральные трубопроводы 9 сообщены с вертлюгом 40, который в свою очередь гидравлически связан с трубопроводом 3. Кроме того, вода из балластной полости 20 частично через каналы 21 поступает на элементы шлицевых соединений 10 и 17, очищая при этом трущиеся детали от продуктов разрушения и выполняет роль смазки. Продукты разрушения по зазору между пазами 10 и шлицами 17 поступают в боковые зазоры 7, а затем через конфузоры 8 в магистральные трубопроводы 9.

После полного вытеснения воды из балластной полости 20 исполнительный орган приобретает положительную плавучесть и перемещается по наружной поверхности патрубка 16 вверх, при этом элементы шлицевого соединения 10 и 17, установленные на внешней 5 и внутренней 4 оболочках, соответственно препятствуют возможному перекосу исполнительного органа и его заклиниванию. Кроме того, шлицы 17 расположены на реборде 43, которая также скользит по наружной поверхности внутренней оболочки 4, препятствуя тем самым перекосу исполнительного органа. Реборда 43 предохраняет от попадания продуктов разрушения корки во внутреннюю полость 44, образованную поверхностью постоянных магнитов 36, верхним основанием исполнительного органа 2 и его конструктивными элементами. Достигнув крайнего верхнего положения, исполнительный орган 2 (верхняя поверхность которого выполнена из магнитных материалов или же по меньшей мере содержит магнитные вставки (не показаны) притягивается к постоянным магнитам 36 и фиксируется неподвижно. Подпружиненные шаровые запорные элементы вторых запорных клапанов 25, войдя в соприкосновение с отражателями 19, отжимаются вниз, при этом рабочий агент из балластной полости 20 через каналы 24 и 18 поступает в боковые зазоры 7, а в дальнейшем в конфузоры 8, магистральные трубопроводы 9 и через вертлюг 40 в трубопровод 3. Система работает в режиме эрлифтирования, при этом подпитка ее водой производится через окна 13, расположенные по периметру нижней торцевой части внешней оболочки 5. При нахождении исполнительного органа 2 в крайнем верхнем положении каналы 30 патрубка 16 перекрываются уплотнительными элементами 29 с прекращением доступа рабочего агента в балластную полость 20. Одновременно отражателями 33 отжимаются подпружиненные шаровые запорные элементы первых запорных клапанов 12, при этом вода из акватории через каналы 11, а затем и по каналам 21 поступает в балластную полость 20. Такой доступ воды возможен за счет градиента давлений: статического, вызванного глубиной акватории и столба аэрированной пульпы в трубопроводе 3. Количество и параметры постоянных магнитов 36 рассчитываются из условия потери силовых связей постоянных магнитов с исполнительным органом 2 в момент приобретения им максимального запаса потенциальной энергии, то есть при полном заполнении балластной полости 20 водой. Потеряв связь с постоянными магнитами 36, исполнительный орган скользит вниз и наносит удар по поверхности корки 15, вызывая ее разрушение. Продукты разрушения при повторных ударах приобретают начальную скорость трогания и перемещаются в виде гидросмеси в пазы 27, а также в зазоры 7.

Для создания стабильной работы системы в режиме эрлифтирования открывают запорный элемент 45 и подают рабочий агент на диспергатор 46. Продукты разрушения в виде мелкодисперсных компонентов пульпы поступают в зазоры 7, конфузоры 8, магистральные трубопроводы 9, затем через вертлюг 40 попадают в трубопровод 3 и выдаются на плавсредство.

В крайнем нижнем положении исполнительного органа 2 каналы 30 сообщаются с камерой 28. По каналам 30 рабочий агент из внутренней полости 31 патрубка 16 поступает в камеру 28 и затем через каналы 23 в балластную полость 20 и вытесняет из нее воду через каналы 22 и 21. Исполнительный орган 2 приобретает положительную плавучесть и перемещается в крайнее верхнее положение. Затем циклы по описанной последовательности повторяют. Во избежание заштыбовки каналов 11 и первых запорных клапанов 12 наружная боковая поверхность исполнительного органа 2 снабжена сферическими углублениями 32, в которые заглубляются подпружиненные шаровые запорные элементы первых запорных клапанов 12 и перекрывают каналы 11 в момент нахождения исполнительного органа в крайнем нижнем положении, то есть в процессе разрушения корки 15 и при котором создается максимальная турбулентность гидросмеси.

Заглубление кольца 14 в корку 15 позволяет осуществить изоляцию турбулентных потоков гидросмеси от акватории, тем самым снизить вредное воздействие технологических процессов на окружающую среду.

После отработки корки 15 на полную мощность открывают запорный элемент 47 с подачей рабочего агента в балластную емкость 39. При вытеснении воды из балластной емкости 39 погружной аппарат 1 приобретает положительную плавучесть и с помощью реактивных сил, создаваемых струями воды, истекающими из насадок балластной емкости, перемещается на очередную выемочную камеру. Затем перекрывают запорный элемент 47, балластную емкость заполняют водой и опускают аппарат с заглублением кольца 14 в корку 15. Циклы по разрушению корки и выдачи гидросмеси на плавсредство повторяют. Основное назначение вертлюга 40 предупредить закручивание трубопровода 3 в процессах, связанных с манипуляциями погружным аппаратом.

Использование изобретения позволит снизить затраты на отделение корок от массива. Кроме того, в процессе эксплуатации агрегата экологические последствия от разработки кобальтовых корок будут сведены к минимальному уровню.

Изобретение может быть использовано для разработки кобальтовых корок. Задача: повышение эффективности разработки кобальтовых корок (отделение корок от массива и подача гидросмеси на плавсредство), а также уменьшение вредного воздействия технологических процессов на окружающую среду. Сущность: агрегат для подводной разработки, включающий погружной аппарат с исполнительным органом, соединенный трубопроводом с плавсредством, отличается тем, что корпус погружного аппарата выполнен в виде стакана предпочтительно квадратного поперечного сечения, с полыми стенками, при этом днище корпуса обращено вверх, в полых стенках сформированы элементы конфузоров магистральных пульповодов, для чего они разделены на соответствующие каналы вертикально ориентированными перегородками, причем в полости корпуса с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль патрубка для подачи рабочего агента размещен исполнительный орган, содержащий породоразрушающий инструмент, выполненный в виде плиты из твердосплавного материала, рабочая поверхность которого снабжена радиальными пазами, балластную емкость, размещенную на тыльной стороне породоразрушающего инструмента, гидравлически связанную с полостью радиальных пазов породоразрушающего инструмента, и через первые запорные клапаны связанную с акваторией, а также пневматически связанную с полостью патрубка для подачи рабочего агента и через вторые запорные клапаны связанную с элементами конфузоров магистральных пульповодов, кроме того, в корпусе погружного аппарата размещен генератор рабочего агента, пневматически связанный с полостью патрубка для подачи рабочего агента. Кроме того, генератор рабочего агента содержит камеры для хранения реагентов и средства для подвода реагентов в реакционную зону и распределитель, пневматически связанный через запорный элемент с полостью патрубка для подачи рабочего агента. Кроме того, дно полости корпуса погружного аппарата снабжено постоянными магнитами, а обращенная к ней поверхность исполнительного органа выполнена из магнитных материалов. Кроме того, внутренняя поверхность полости корпуса снабжена пазами, размещенными с возможностью размещения в них шлицов, закрепленных на внешней боковой поверхности исполнительного органа. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Агрегат для подводной разработки, включающий соединенный с плавсредством погружной аппарат, корпус которого выполнен в виде полого стакана, а днище обращено вверх, размещенный в полости корпуса с возможностью возвратно-поступательного перемещения исполнительный орган, содержащий породоразрушающий инструмент, отличающийся тем, что погружной аппарат соединен с плавсредством посредством трубопровода, при этом стенки корпуса погружного аппарата выполнены полыми, в них сформированы элементы конфузоров магистральных пульповодов, для чего они разделены на соответствующие каналы вертикально ориентированными перегородками, причем породоразрушающий инструмент выполнен в виде плиты из твердосплавного материала, рабочая поверхность которого снабжена радиальными пазами, а его тыльная сторона снабжена балластной емкостью, гидравлически связанной с полостью радиальных пазов породоразрушающего инструмента и через первые запорные клапаны связанной с акваторией, а также пневматически связанной с полостью патрубка для подачи рабочего агента и через вторые запорные клапаны связанной с элементами конфузоров магистральных пульповодов, кроме того, в корпусе погружного аппарата размещен генератор рабочего агента, пневматически связанный с полостью патрубка для подачи рабочего агента. 2. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что генератор рабочего агента содержит камеры для хранения реагентов и средства для подвода реагентов в реакционную зону и распределитель, пневматически связанный через запорный элемент с полостью патрубка для подачи рабочего агента. 3. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что дно полости корпуса погружного аппарата снабжено постоянными магнитами, а обращенная к ней поверхность исполнительного органа выполнена из магнитных материалов. 4. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность полости корпуса снабжена пазами, размещенными с возможностью размещения в них шлицов, закрепленных на внешней боковой поверхности исполнительного органа. 5. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что корпусу погружного аппарата придано квадратное поперечное сечение.